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                耐火磚燒結會受哪些因素影響?

                發布時間:2020/10/08 技術知識 標簽:輕質保溫磚瀏覽次數:261

                耐火磚燒結過程中,對原料,環境,添加劑等都有要求,如果配置不標準,就會出現一些燒結情況。耐火磚也屬于燒結磚,只是耐火磚燒結的溫度高,一般都在1400度以上。下面講下哪些因素會影響耐火磚燒結。


                一、原料的影響

                    原料對燒結的影響分為內因和外因兩個方面。內因是物料的結晶化學特性,外因則主要體現為所用原料的顆粒組成。物料晶體的晶格能是決定物料燒結和再結晶難易的重要參數。晶格能大的晶體,結構較穩定,高溫下質點的可移動性小,燒結困難。晶體結構類型也是一個重要影響因素,物料陽離子的極性低,則其形成的化合物的晶體結構較穩定,必須在接近熔點的溫度下才有顯著缺陷,故該類化合物質點的可移動性小,不易燒結。耐火材料中Al2O3、MgO的晶格能高而極性低,故較難于燒結。

                    由微細晶粒組成的多晶體比單晶體易于燒結,因為在多晶體內含有許多晶界,此處是消除缺陷的主要地方,還可能是原子和離子擴散的快速通道。離子晶體燒結時,正、負離子都必須擴散才能導致物質的傳遞和燒結。其中擴散速率較慢的一種離子的擴散速率控制著燒結速度。一般認為負離子的半徑較大,擴散速率較慢,但對Al2O3、Fe2O3的實驗研究發現,O2-通過晶界提供的通道快速擴散,以致正離子Al3+、Fe3+的擴散比氧離子慢,成為燒結過程控速步驟。

                    晶體生長速度是影響燒結的另一個晶體化學特性。例如MgO燒結時晶體生長很快,很容易長大至原始晶粒的1000~1500倍,但其密度只能達到理論值的60%~80%。Al2O3 則不然,雖其晶粒長大僅50~100倍,卻可達到理論密度的90%~95%,基本上達到充分燒結。為使MgO材料密度提高,必須抑制晶粒長大的措施。

                    所用原料的粒度也是影響燒結致密化的重要因素,無論是固相燒結還是液相燒結,細顆粒均增加了燒結的推動力,縮短了粒子擴散的距離和提高了顆粒在液相中的溶解度而導致燒結過程的加速,有資料報道,MgO的原始粒度為20μm以上時,即使在1400℃長時間保溫,僅能達到相對密度的70%而不能進一步致密化;當粒徑在20μm以下時,溫度為1400℃或粒徑為1μm以下,在1000℃時,燒結速度很快;如果粒徑在0.1μm以下時,其燒結速度與熱壓燒結相差無幾。

                    從防止二次再結晶的角度考慮,如果細粉內有少量大顆粒存在,則易發生晶粒的異常長大而不于燒結。一般氧化物材料適宜的粉末粒度為0.05~0.5μm。

                    原始粉末的粒度不同,燒結機理有時也會發生改變。例如AIN的燒結,據報道,當粒度為0.78~4.4μm時,粗顆粒按體積擴散機理進行燒結,而細顆粒則按晶界擴散或表面擴散機理進行燒結。

                二、添加劑的影響

                    在固相燒結時,少量添加劑(燒結助劑)可與主晶相形成固溶體促進缺陷增加;在液相燒結時,添加劑能夠改變液相的性質(如粘土、組成等),因而能起促進燒結的作用。添加劑的作用可能在于以下幾個方面:

                    1.形成固溶體。當添加物與燒結物形成固溶體時,可以增加晶格缺陷,活化晶格,從而促進燒結。一般來說,它們之間形成有限置換固溶體更有助于促進燒結。添加劑離子的電價、半徑與主晶格離子的電價,半徑相差越大,晶格畸變程度也越大,促進燒結的作用也越明顯。如Al2O3 燒結時,加入3%的Cr2O3形成連續固溶體可在1860℃燒結,而加入1%~2%TiO2只需在1600℃左右就能致密化。

                    2.阻止晶型轉變,有些氧化物在燒結時發生晶型轉變并伴有較大的體積效應,這就難以實現燒結致密化,并容易引起坯體開裂。這時若能選用適宜的添加劑加以抑制,即可促進燒結。ZrO2燒結時添加一定量的CaO、MgO就屬這一機理。約在1200℃,m- ZrO2轉變為t- ZrO2,并伴有約10%的體積收縮,使制品穩定性變壞。引入電價比Zr4+低的Ca2+(或Mg2+),可形成穩定的立方螢石結構的固溶體。這樣,既防止了制品的開裂,又增加了晶體中缺陷濃度,使燒結加快

                    3. 抑制品粒長大,燒結后期晶粒長大,對促進燒結致密化有重要作用。但若二次再結晶或間斷性晶粒長大過快,會使晶粒變粗、晶界變寬而出現反致密化現象并影響制品的顯微結構。這時,可通過加入能抑制品粒異常長大的添加劑來促進燒結,在燒結透明Al2O3 制品時,為抑制二次再結晶,消除晶界上的氣孔,一般加入MgO或MgF2,高溫下形成鎂鋁尖晶石包裹在Al2O3 晶粒表面,抑制了晶界遷移的速度,并促使氣孔的排出,對促進坯體的燒結具有顯著的作用。

                    4. 形成液相。添加劑在燒結過程中形成液相。液相形成的原因可能在于兩方面:添加劑本身的熔點較低,添加劑與燒結物形成多元低共熔物;由于液相的傳質阻力小、傳質速度快,從而降低了燒結溫度和提高了坯體的密度。例如在制造95% Al2O3 陶瓷時,一般加入CaO和SiO2,當CaO:SiO2=1時,由于生成CaO- Al2O3- SiO2液相,從而使材料在1540℃就能燒結。應該指出的是,能促進形成液相的添加劑并非都會促進燒結,如向Al2O3 中加入部分堿金屬氧化物就會嚴重妨礙其燒結。另外,形成液要雖然有利于燒結,但會嚴重影響材料的高溫性能,故必須統籌考慮。

                三、燒結溫度和保溫時間的影響

                    燒結溫度和保溫時間是耐火材料燒結的重要外因。隨著溫度的升高,物料的蒸氣壓增加,擴散系數增大,液相粘度降低,從而促進了蒸發-凝聚,離子和空位的擴散,顆粒重排和粘、塑性流動等物質傳遞過程,故使燒結速度加快。延長燒結時間也可促進燒結的完成,然而在燒結后期,不合理地延長燒結時間,有時會加劇二次再結晶作用,反而得不到充分致密的制品。

                    耐火制品的燒成最高溫度應該控制在燒結溫度的范圍內,在此溫度下應保持適當的燒結時間以使燒結完成,若繼續升高溫度會使坯體變形。

                四、氣氛的影響

                    氣氛直接影響燒成效果和制品質量、燒成氣氛一般可分為氧化性氣氛、中性氣氛和還原性氣氛,對于不同材質的壞體應選擇不同的氣氛,以保證坯體中物理化學反應的順利進行。燒結末期,當氣孔處于封閉狀態時,氣氛(氣孔中氣體的類型)對燒結是有影響的。研究Al2O3 的燒結時發現,當氣體在晶格中的溶解度很小而擴散很慢時,則孤立的氣孔不易從壞體中排出。例如,Al2O3 在氬氣和空氣中的燒結就是這樣。相反,當氣體在晶格中的擴散速度足夠快時,則氣氛對燒結末期沒有影響。如果氣氛對控制結構有一定的作用,則可擴散而有利于燒結的進行。

                    必須指出,燒成氣氛的影響到材料組成、燒結條件、添加劑的種類和數量等因素有關。因此,應該針對不同問題進行具體分析。

                    在實際燒結過程中,上述因素的影響是相互聯系、彼此制約的。在不同的條件下起主要作用的因素可能是不同的。

                    回轉窯中煅燒熟料的質量與產量,與很多因素有關,如窯體結構、原料、燃料性質等,且在很大程度上決定于操作技術水平。

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